兩種二級(jí)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖吸能特性研究

李翔城，林玉亮，盧芳云，李志斌

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院工程物理研究所，湖南 長沙 410073）

兩種二級(jí)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖吸能特性研究

李翔城，林玉亮，盧芳云，李志斌

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院工程物理研究所，湖南 長沙 410073）

該文對(duì)二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)和二級(jí)組合式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖吸能特性進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁蜂窩緩沖吸能結(jié)構(gòu)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過準(zhǔn)靜態(tài)異面壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種不同正六邊形胞元的鋁蜂窩進(jìn)行測試，分別得到這兩種二級(jí)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮變形過程和應(yīng)力響應(yīng)曲線，并對(duì)其變形機(jī)理進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩和二級(jí)組合式鋁蜂窩均能實(shí)現(xiàn)梯度平臺(tái)應(yīng)力響應(yīng)，這有利于二級(jí)緩沖吸能結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。此外，對(duì)于單軸壓縮，二級(jí)組合式鋁蜂窩的嵌入過程只有一個(gè)應(yīng)力峰值并且其能達(dá)到更高的壓實(shí)程度，但是峰值應(yīng)力值較大，有待進(jìn)一步優(yōu)化。在吸能特性方面，與同一尺寸的二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩緩沖器相比，組合式鋁蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)的單位體積吸能效果稍強(qiáng)，尤其是單位質(zhì)量吸能效果更好，可為緩沖吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的選擇方式。

組合式鋁蜂窩；串聯(lián)式蜂窩；緩沖吸能；異面壓縮

0　引　言

鋁蜂窩作為一種結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、壓潰強(qiáng)度弱、壓縮行程大的特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的緩沖吸能結(jié)構(gòu)材料。正六邊形鋁蜂窩是一種正交各向異性材料結(jié)構(gòu)，很多學(xué)者對(duì)其面內(nèi)性質(zhì)和異面性質(zhì)都進(jìn)行過研究［1-3］。其中，在緩沖吸能特性應(yīng)用方面，主要是利用鋁蜂窩的異面緩沖吸能性質(zhì)，表現(xiàn)出良好的壓縮不可逆性、高效性及穩(wěn)定性；因此，在許多關(guān)鍵工程領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。特別是在快速發(fā)展的航天領(lǐng)域中，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖器在減沖擊裝置和飛行器著陸器中均表現(xiàn)出優(yōu)異的緩沖吸能性能［4-5］。此外，鋁蜂窩作為緩沖吸能材料在汽車碰撞與減振過程中也發(fā)揮著重要作用［6］。

鋁蜂窩的制造較為通用的加工方式是拉伸成形法。但是由于加工工藝的限制，鋁箔材料沿異面方向厚度最大為150mm［7］。所以，當(dāng)要求壓縮行程大于工藝限制時(shí)，需要考慮多級(jí)鋁蜂窩緩沖吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)多級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和緩沖吸能性能進(jìn)行優(yōu)化。這樣不僅可以降低加工難度，同時(shí)通過不同結(jié)構(gòu)或規(guī)模的鋁蜂窩組合使用，可以得到目標(biāo)梯度平臺(tái)應(yīng)力響應(yīng)曲線［8］，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖吸能材料或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前國內(nèi)外一般采用多級(jí)鋁蜂窩串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)緩沖吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。李萌等［9］對(duì)鋁蜂窩串聯(lián)緩沖吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮仿真及實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁蜂窩串聯(lián)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模仿真；結(jié)果表明，與單層鋁蜂窩結(jié)構(gòu)相比，串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更加優(yōu)良的吸能特性。Yasui［10］通過對(duì)3種不同材料的鋁蜂窩進(jìn)行沖擊測試，提出金字塔形串聯(lián)新型組合結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)金字塔結(jié)構(gòu)相比同一尺寸的蜂窩結(jié)構(gòu)吸能性質(zhì)更好?？傊?，串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用技術(shù)中越來越成熟。

林玉亮［11］在蜂窩響應(yīng)曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出組合式鋁蜂窩緩沖吸能結(jié)構(gòu)。文學(xué)軍［12］和曹雷［13］研究了組合式鋁蜂窩緩沖吸能結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)性質(zhì)并分析了減沖擊的可行性。串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)與組合式蜂窩結(jié)構(gòu)在構(gòu)形上具有較高的相似性，為了比較這兩種蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖吸能特性，本文通過準(zhǔn)靜態(tài)異面壓縮實(shí)驗(yàn)研究二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)和二級(jí)組合式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征曲線，分析兩者之間的差異，并對(duì)兩種二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而為多級(jí)鋁蜂窩緩沖器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用提供新的可選方案。

1　異面壓縮實(shí)驗(yàn)

1.1試樣及加載方式

準(zhǔn)靜態(tài)異面壓縮試驗(yàn)在TAW2000電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率設(shè)置為2mm/min；通過傳感器記錄載荷-位移曲線。所選取的鋁蜂窩試樣為正六邊形鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，其基體材料為Al5052，選用兩種不同規(guī)格的鋁蜂窩，胞元邊長分別為1.87mm（疏蜂窩）和1.13 mm（密蜂窩），對(duì)應(yīng)的蜂窩結(jié)構(gòu)等效密度為104.0kg/m3和183.2kg/m3。為更好地比較二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩和二級(jí)組合式鋁蜂窩的緩沖吸能特性，將兩種鋁蜂窩試樣通過線切割方式加工成相同尺寸：試樣面內(nèi)尺寸為30mm×30mm，厚度10mm，如圖1（a）～圖1（b）所示。同時(shí)，為了保證實(shí)現(xiàn)單軸加載，設(shè)計(jì)了由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作的透明限位框，實(shí)驗(yàn)時(shí)將二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)試樣放置在限位框內(nèi)，如圖1（c）所示。

圖1　鋁蜂窩胞元結(jié)構(gòu)及限位框（單位：mm）

串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)是在蜂窩疊層之間采用隔板隔開所構(gòu)成的緩沖吸能結(jié)構(gòu)；組合式蜂窩結(jié)構(gòu)就是蜂窩疊加層之間不采用隔板隔開，存在蜂窩間相互嵌入作用的緩沖吸能結(jié)構(gòu)。

二級(jí)組合式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試樣采用兩個(gè)方向交錯(cuò)排布（即相互成90°）的方式疊加在限位框內(nèi)，如圖2所示；二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩試樣在兩個(gè)試樣中采用薄鋁板（30mm×30mm×0.4mm）隔開，薄鋁隔板的質(zhì)量為2.558 g。本文對(duì)上下兩層分別為相同規(guī)格和不同規(guī)格的二級(jí)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖2　組合式蜂窩結(jié)構(gòu)俯視圖

1.2相同規(guī)格二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)于相同規(guī)格的二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮可以分為兩種情形，即薄鋁隔板上下均是密蜂窩或疏蜂窩，記為H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-CH與H1.87-10mm+H1.87-10mm-CH，其中“1.13”與“1.87”表示六邊形胞元邊長，“10mm”表示異面厚度，“CH”表示串聯(lián)。變形過程以疏蜂窩為例，如圖3所示。

圖3　相同規(guī)格二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩壓縮過程

與單一正六邊形鋁蜂窩緩沖吸能原理相似，串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)也是通過蜂窩胞壁結(jié)構(gòu)的屈曲進(jìn)行吸能的［14］。從圖中可以看到，加載開始時(shí)上層靠近壓頭的蜂窩首先進(jìn)行屈曲，進(jìn)入彈性屈曲階段，此時(shí)結(jié)構(gòu)是可恢復(fù)的；緊接著隔板上層蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性屈曲階段，而下層蜂窩沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲；當(dāng)隔板上層蜂窩進(jìn)入壓實(shí)階段，隔板下層蜂窩開始發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲；直至隔板上下兩級(jí)蜂窩都達(dá)到壓實(shí)應(yīng)變，進(jìn)入兩級(jí)結(jié)構(gòu)的共同密實(shí)階段。

需要說明的是，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，蜂窩結(jié)構(gòu)通常是從壓頭方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈曲。但是對(duì)于串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷?shí)際加工過程不能保證上下兩個(gè)蜂窩試樣結(jié)構(gòu)完全一致，故隔板上、下層蜂窩哪個(gè)先發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲，具有一定的隨機(jī)性。

同樣，對(duì)于相同規(guī)格的二級(jí)組合式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮亦可以分為兩種情形，分別是上、下均是密蜂窩或疏蜂窩，記為H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-ZH與H1.87-10mm+H1.87-10mm-ZH?！癦H”表示上下兩個(gè)蜂窩試樣直接疊加組合，其變形過程以疏蜂窩為例，如圖4所示。

和串聯(lián)式蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)響應(yīng)方式不同，組合式鋁蜂窩首先是相同規(guī)格上下兩級(jí)蜂窩的相互嵌入，如圖4（b）所示，在這個(gè)階段結(jié)構(gòu)所起的緩沖作用是蜂窩薄壁相互剪切的結(jié)果。相互嵌入的過程在嵌入厚度達(dá)到單層蜂窩的異面高度時(shí)結(jié)束，如圖4（c）所示。當(dāng)上、下蜂窩完全嵌入之后，剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)入共同壓潰階段，最后被壓實(shí)，如圖4（d）～圖4（e）所示。

1.3不同規(guī)格二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)于不同規(guī)格二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)，即薄鋁隔板上、下分別為疏蜂窩與密蜂窩，記為H1.87-10mm+H1.13-10mm-CH。其典型的異面壓縮變形響應(yīng)如圖5所示。

圖4　相同規(guī)格二級(jí)組合式鋁蜂窩壓縮過程

與相同規(guī)格二級(jí)串聯(lián)式蜂窩響應(yīng)方式略有不同，因?yàn)樯舷聝杉?jí)蜂窩強(qiáng)度的差異，整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形首先是由強(qiáng)度較弱一級(jí)（疏蜂窩）先發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲，當(dāng)結(jié)構(gòu)屈曲到一定壓實(shí)應(yīng)力時(shí)，第二級(jí)（密蜂窩）再進(jìn)行薄壁折疊，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)屈曲，最后上下蜂窩層共同進(jìn)入壓實(shí)階段。這種結(jié)構(gòu)屈曲的順序是可預(yù)判及可設(shè)計(jì)的。

對(duì)于不同規(guī)格二級(jí)組合式蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)，即薄鋁隔板上、下分別為疏尺寸蜂窩與密尺寸蜂窩，記為H1.87-10mm+H1.13-10mm-ZH。其異面壓縮變形響應(yīng)與相同規(guī)格二級(jí)組合式蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)基本一致。

壓縮后的二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6（a）為二級(jí)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮后試樣，可以看出壓實(shí)后隔板上、下級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)均比較規(guī)則，并且蜂窩結(jié)構(gòu)幾乎沒有泊松效應(yīng)。圖6（b）為二級(jí)組合式蜂窩結(jié)構(gòu)壓實(shí)后狀態(tài)，可以定性看出，其壓實(shí)后的試樣密實(shí)化程度比對(duì)等的二級(jí)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)密實(shí)化程度更高。

1.4兩種二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)理分析

二級(jí)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)與二級(jí)組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的響應(yīng)方式機(jī)理示意如圖7所示。

如圖7（a），對(duì)于二級(jí)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)可以通過Wierzbicki［14］提出的超折疊單元理論解釋，蜂窩的周期性折疊使得異面壓縮過程中應(yīng)力值出現(xiàn)一定的波動(dòng)。而對(duì)于二級(jí)組合式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖機(jī)理主要可以分為兩個(gè)部分：1）如圖7（b）所示，胞壁相互交錯(cuò)排布，嵌入過程本質(zhì)上就是薄板相互剪切的過程，因?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)的嵌入強(qiáng)度弱于單層蜂窩結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度，故二級(jí)組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的嵌入過程先于蜂窩結(jié)構(gòu)的屈曲過程；2）完全嵌入之后，再進(jìn)行剩余結(jié)構(gòu)的屈曲。剩余結(jié)構(gòu)的等效密度可以認(rèn)為是壓縮前結(jié)構(gòu)等效密度的兩倍。正是由于響應(yīng)機(jī)理的不同，這兩種二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖吸能特性在表現(xiàn)相似性的同時(shí)，存在較大的差異性。

2　緩沖吸能特性分析

2.1緩沖特性

描述鋁蜂窩緩沖吸能結(jié)構(gòu)的緩沖特性物理量主要有峰值應(yīng)力（包括一級(jí)峰值應(yīng)力σp1與二級(jí)峰值應(yīng)力σp2）、平臺(tái)應(yīng)力（包括一級(jí)平臺(tái)應(yīng)力σav1與二級(jí)平臺(tái)應(yīng)力σav2）與壓實(shí)應(yīng)變（εd）等特征參量。圖8為二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。每種結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的應(yīng)力響應(yīng)曲線與前面描述的變形響應(yīng)過程相符。表1為從圖中提取的特征參量值。

壓實(shí)應(yīng)變選取方式為吸能效率-應(yīng)力曲線中最大吸能效率時(shí)的壓實(shí)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變［15-17］，吸能效率的定義如下：

式中：σm——任意應(yīng)力；

εm——與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；

E——蜂窩吸收的能量與對(duì)應(yīng)應(yīng)力的比值。

當(dāng)吸能效率達(dá)到最大值時(shí)，表明蜂窩在該應(yīng)力值處吸能特性最好。

二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出較大的緩沖特性的差異：1）二級(jí)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)明顯的峰值應(yīng)力，大小為相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力；二級(jí)組合式蜂窩結(jié)構(gòu)雖然只存在一個(gè)峰值應(yīng)力，但是由于蜂窩完全嵌入之后結(jié)構(gòu)等效密度翻倍，故其對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力更高，林玉亮［11］分析這是等厚度組合式蜂窩結(jié)構(gòu)相互嵌入的原因，對(duì)于不同厚度組合式蜂窩結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)力會(huì)減弱。2）兩種二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)受壓后的密實(shí)化程度存在差異。二級(jí)組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的壓實(shí)應(yīng)變大于二級(jí)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)的壓實(shí)應(yīng)變。這是因?yàn)榻M合式蜂窩在嵌入階段沒有嵌入密實(shí)過程；而串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)存在兩級(jí)壓實(shí)過程，故比對(duì)等的組合式蜂窩結(jié)構(gòu)多一級(jí)壓實(shí)部分。

圖5　不同規(guī)格二級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩壓縮過程

圖6　壓縮后試樣

圖7　二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)理示意圖

2.2吸能特性

二級(jí)蜂窩緩沖吸能結(jié)構(gòu)的吸能特性是結(jié)構(gòu)耐撞性研究的重點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中緩沖吸能結(jié)構(gòu)的體積和質(zhì)量往往都有所限制，特別是在航天領(lǐng)域中，緩沖吸能結(jié)構(gòu)的質(zhì)量越小、體積越小，經(jīng)濟(jì)成本越低。因此，緩沖吸能結(jié)構(gòu)的單位體積比吸能（volumetric energy density）和單位質(zhì)量比吸能（special energy absorption），是衡量緩沖吸能結(jié)構(gòu)特性的特征參數(shù)。蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能大小采用變形響應(yīng)到壓實(shí)應(yīng)變?yōu)橹?，此時(shí)蜂窩材料開始進(jìn)入密實(shí)化階段［18］。

圖8　二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

表1　二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖參數(shù)

由于蜂窩結(jié)構(gòu)質(zhì)量本身比較小，在計(jì)算二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)的等效密度時(shí)，薄鋁板的質(zhì)量不能忽略。圖9為兩種二級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)的體積比吸能曲線與質(zhì)量比吸能曲線，可見兩種比吸能曲線為兩段線性線段。組合式蜂窩比吸能曲線在應(yīng)變0.5處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，而串聯(lián)式蜂窩比吸能曲線在應(yīng)變小于0.5處轉(zhuǎn)折，這與2.1分析的組合式蜂窩嵌入過程沒有嵌入密實(shí)階段，而串聯(lián)式蜂窩存在兩級(jí)密實(shí)化過程的原因是相符的。從圖9可以得到二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能特性參數(shù)，如表2所示。

圖9　吸能特性對(duì)比

表2　二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)吸能參數(shù)

由表可知，組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的體積比吸能略大于串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)的體積比吸能；由于薄鋁隔板的影響，串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)具有更大的等效密度，因此串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)質(zhì)量比吸能要明顯低于組合式蜂窩結(jié)構(gòu)。總體來說，可以認(rèn)為，二級(jí)組合式蜂窩結(jié)構(gòu)在吸能特性方面優(yōu)于二級(jí)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)。

2.3限位框?qū)Χ?jí)蜂窩結(jié)構(gòu)的影響

為了比較限位框?qū)Χ?jí)蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖吸能特性的影響，以二級(jí)組合蜂窩結(jié)構(gòu)為例，分別進(jìn)行了無限位框異面單軸壓縮加載和有限位框異面單軸壓縮加載，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖10所示。

從圖中可以看出，限位框?qū)Ψ涓C結(jié)構(gòu)吸能特性基本沒有影響。但在第2個(gè)峰值應(yīng)力處兩種曲線之間存在一定的差異。經(jīng)過初步分析，我們認(rèn)為在無限位框異面壓縮加載過程中，部分試樣發(fā)生了輕微局部傾斜，可以認(rèn)為這種加載方式是異面壓縮和面內(nèi)壓縮的復(fù)合加載的組合。文獻(xiàn)調(diào)研表明［19］，面內(nèi)壓縮強(qiáng)度相對(duì)異面壓縮強(qiáng)度較弱。但是這也為消除組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力提供一種可能途徑。

圖10　有無限位框組合式鋁蜂窩應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系比較

2.4組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

目前應(yīng)用最為廣泛的緩沖吸能結(jié)構(gòu)是多級(jí)串聯(lián)式鋁蜂窩結(jié)構(gòu)。通過以上分析，可以利用二級(jí)組合式蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)緩沖吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在保證吸能效果更好的前提條件下，組合式蜂窩結(jié)構(gòu)最明顯的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)緩沖吸能結(jié)構(gòu)的多級(jí)梯度平臺(tái)應(yīng)力響應(yīng)。比如在航天領(lǐng)域，航天器著陸緩沖結(jié)構(gòu)主緩沖器緩沖能力的方案設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)多級(jí)應(yīng)力平臺(tái)；其一般是通過低、高兩級(jí)梯度緩沖吸能結(jié)構(gòu)組合來設(shè)計(jì)優(yōu)化的［20］。因?yàn)檩^低一級(jí)應(yīng)力響應(yīng)可以使得承載結(jié)構(gòu)重心快速下降，從而增加了著陸的穩(wěn)定性；同時(shí)可以防止飛行器開始著陸時(shí)的加速度增長過快，以保證加速度敏感器件的安全。本文可為新型緩沖吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3　結(jié)束語

本文基于準(zhǔn)靜態(tài)異面壓縮試驗(yàn)對(duì)兩種二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖吸能特性進(jìn)行了研究，獲得響應(yīng)特性曲線，并分析變形機(jī)理，比較緩沖吸能特性，主要結(jié)論如下：

1）二級(jí)串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)的變形模式是蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲；二級(jí)組合蜂窩結(jié)構(gòu)的變形模式可以分為兩個(gè)階段，首先經(jīng)歷蜂窩結(jié)構(gòu)的相互完全嵌入，其次是相互嵌入之后形成新結(jié)構(gòu)的再壓潰階段。

2）組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的壓實(shí)程度大于串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)；串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)應(yīng)力峰值，組合式蜂窩結(jié)構(gòu)只存在一個(gè)應(yīng)力峰值，但是峰值更大。

3）組合式蜂窩結(jié)構(gòu)的體積比吸能稍大于串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)的體積比吸能；而組合式鋁蜂窩的質(zhì)量比吸能效果明顯優(yōu)于串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)。

［1］王飛，李劍榮，虞吉林.鋁蜂窩結(jié)構(gòu)單向壓縮、失穩(wěn)和破壞機(jī)制研究［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33（60）：741-748.

［2］BAKER E W，TOGAMI T C，WEYDERT J C.Static and dynamic properties of high-density metal honeyco mbs［J］.International Journal of Impact Engineering，1998，219（3）：149-163.

［3］YAMASHITA M，GOTOH M.Impact behavior of honeycomb structures with various cell specifications-numericalsimulationandexperiment［J］.International Journal of Impact Engineering，2005，32（s1-4）：618-630.

［4］曾福民，楊建中，朱汪，等.月球著陸器著陸緩沖性能研究［J］.航天器工程，2010，19（5）：43-49.

［5］楊建中，滿劍鋒，曾福民，等.一種著陸探測器變形緩沖器：ZL201120551968.5［P］.2011-12-23.

［6］錢立軍，楊士欽，馬恒永.具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的汽車薄壁桿件的耐撞性研究［J］.汽車技術(shù)，2001（6）：9-11.

［7］楊建中.航天器著陸緩沖結(jié)構(gòu)［M］.北京：宇航出版社，2015：27-28.

［8］李萌．腿式著陸器用泡沫鋁和鋁蜂窩緩沖器仿真與試驗(yàn)研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009．

［9］李萌，劉榮強(qiáng)，羅昌杰，等.鋁蜂窩串聯(lián)緩沖結(jié)構(gòu)靜態(tài)壓縮仿真與試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32（9）：50-56.

［10］YASUI Y.Dynamic axial crushing of multi-layer honeycomb panels and impact tensile behavior of the component members［J］.International Journal of Impact Engineering，2000，24（6-7）：659-671.

［11］LIN Y L，ZHANG Z F，CHEN R，et al.Cushing and energy absorbing property of combined aluminum honeycomb［J］.Advanced Engineering Materials，2015，17（10）：1434-1441.

［12］文學(xué)軍，盧芳云，林玉亮，等.組合鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的異面壓縮響應(yīng)及減沖擊性能分析［C］∥全國沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，2013.

［13］CAO L，LIN Y L，LU F Y，et al.Experimental study on the shock absorption performance of combined aluminum honeycombs under impact loading［J］.Shock and Vibration，2015：1-8.

［14］WIERZBICKI T.Crushing analysis of metal honeycombs［J］. International Journal of Impact Engineering，1983，1（2）：157-174.

［15］王中鋼，魯寨軍.鋁蜂窩異面壓縮吸能特性試驗(yàn)評(píng)估［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，44（3）：1246-1251.

［16］MILTZ J，GRUENBAUM G.Evaluation of cushion properties of plastic foams compressive measurements［J］. Polymer Engineer Science，1981，21（15）：1010-1014.

［17］曾裴，潘藝，胡時(shí)勝.泡沫鋁緩沖吸能效率評(píng)估及其特性［J］.爆炸與沖擊，2002，22（4）：358-362.

［18］尹漢鋒.著陸緩沖系統(tǒng)中吸能結(jié)構(gòu)的耐撞性優(yōu)化［D］.長沙：湖南大學(xué)，2011.

［19］張新春，劉穎，章梓茂.組合蜂窩材料面內(nèi)沖擊性能的研究［J］.工程力學(xué)，2009，26（6）：220-225.

［20］楊建中.航天器著陸緩沖結(jié)構(gòu)［M］.北京：宇航出版社，2015：87-89.

（編輯：莫婕）

Studies on buffering and energy-absorption of two bilayer aluminum honeycomb structures

LI Xiangcheng，LIN Yuliang，LU Fangyun，LI Zhibing
（Institute of Engineering Physics，College of Science，NUDT，Changsha 410073，China）

Aimed to optimize multi-layer aluminum hexagonal honeycomb buffer and energyabsorption structures，related properties between bilayer combined aluminum hexagonal honeycomb andseriesaluminumhoneycombwerecompared.Theauthorscarriedoutontwotypesof hexagonal honeycomb with different sizes of cells under quasi-static out-of-plane compression.As a result，stress-strain curves of combined aluminum honeycomb and series aluminum honeycomb were gotten.Results show that both bilayer aluminum honeycomb structures can realize gradient plateau stress response，which is beneficial in the practical applications.Besides，it also shows that the insertion process of combined honeycomb structure can erase the initial peak stress，but a higher peak stress is left and it can also realize higher compaction degree.In a word，the ability of buffering and energy-absorption is better than series honeycomb structures.

combined aluminum honeycomb；series honeycomb structure；energy-absorption；outof-plane compression

A

1674-5124（2016）10-0100-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.019

2016-04-09；

2016-05-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11672329，11132012）

李翔城（1992-），男，湖南隆回縣人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)椴牧蟿?dòng)態(tài)力學(xué)性能。